Схема очень простого 200–ваттного усилителя на полевых транзисторах

Симметричная схема УМЗЧ на MOSFET транзисторах, нюансы и подводные камни.

Что является самым важным для начинающего электронщика, постигающего таинства азбуки УНЧ-строения, ну, естественно, помимо: паяльника электрического, пары рук из нужного места, головы без признаков астено-невротического синдрома и предварительного изучения массы ресурсов на заданную тему?
А нужны, скажу я вам: терпение, немного здравого смысла, а главное, отсутствие неистребимой тяги к гигантомании в виде резкого освоения недетских мощностей! Поаккуратней надо с этим делом, ребята, поаккуратней.... А то, зуб даю, опять будете жаловаться!
Поэтому давайте-ка определимся с ориентацией:
Мы не извращенцы какие-то, мы нормальные юноши и приличные барышни с определённым багажом знаний, и даже сумевшие однажды совокупить самодельный усилок с колонкой от проигрывателя.
А ещё – мы люди бережливые и на безвременную кончину электрооборудования, будь то: прибор какой измерительный, деталюшка полупроводниковая или, не дай бог, колонка акустическая нам смотреть больно, неприятно и даже западло.

Как-то, читая умную книжку, я столкнулся с утверждением автора, что полностью симметричные усилители отличаются свойством повышенного подавления чётных гармоник. И на кой ляд козе баян? – прикинул я, памятуя о том, что именно нечётные гармоники вносят диссонанс в звучание усилителя, а чётные гармоники, как раз-таки добавляют звучанию полноты и объёма, присущих пресловутому феномену "тёплого лампового звука".
И всё бы было ничего, когда бы ни вмешался жёсткий случай. Случай представился в виде схемы Hi-End усилителя DarTZeel NHB-108 Model One от известного швейцарского производителя. Оказалось, что этот замечательно играющий транзисторный агрегат стоимостью 18 тысяч американских денег, как раз и собран по полностью симметричной схеме, обладает приличной мощностью в 160 Вт, но ужасающим, с точки зрения "продвинутой" форумной молодёжи, параметром коэффициента гармоник – 1% (7 Гц...77 кГц).
Что-то тут не так. Пришло время эксперимента! – подумалось мне часом. С этой мажорной мыслью я набросал схему простого симметричного усилителя на горячо любимых MOSFET-ах. А результатом стала конструкция УМЗЧ, которую я наберусь наглости продекларировать, как – самую простую из качественных и самую качественную из простых в данной мощностной категории!

Ладно, давайте уже припадём к схеме электрической принципиальной.

Рис.1 Схема очень простого 200-ваттного симметричного УМЗЧ на полевых транзисторах

Главными факторами плодотворной дебютной идеи стали: простота, доступность и незатейливость устройства, т. е. всё то, что делает жизнь начинающего радиолюбителя осмысленной и несуетливой.
По этой же причине было решено сделать выбор в пользу однополярного источника питания, дабы не маяться по поводу изготовления устройств защиты акустики от постоянки, которая незаметно и, сцуко, неожиданно может просочиться из усилителя по причине: неосторожности, неисправности либо какой иной шероховатости.
Выходные полевые транзисторы в совокупности с истоковыми резисторами относительно высокого номинала довольно гуманно отнесутся и к кратковременному КЗ на выходе, поэтому электронная токовая защита также не является необходимым атрибутом данного усилителя. Вполне достаточным аксессуаром (и необходимым, особенно в процессе настройки) будет являться наличие в цепи питания 5А плавкого предохранителя.

Транзисторы выходного каскада Т3 и Т4 включены по схеме с О-И, позволяющей (в отличие от О-С) поиметь усиление не только по току, но и по напряжению. Это, с одной стороны, снизило требования к каскадам предварительного усиления, с другой – обеспечило максимальную амплитуду размаха выходного сигнала (близкую к напряжению источника питания).

Усилительный каскад на транзисторе Т1 отвечает за положительную полуволну выходного уровня. Он работает в режиме общий-исток для входного сигнала, поступающего на затвор транзистора, и в режиме общий-затвор для сигнала отрицательной обратной связи, идущего с выхода усилителя на исток транзистора Т1.
Поскольку схема является симметричной, то транзистор Т2 работает абсолютно идентично Т1, отвечая вместе с Т4 за отрицательную полуволну выходного сигнала.

Подстроечный резистор R6 регулирует уровень напряжения смещения между затворами входных транзисторов. От величины этого смещения зависят токи стоков Т1 и Т2, а соответственно и напряжения на затворах транзисторов Т3, Т4, что, в свою очередь, определяет их ток покоя.

Отношение резисторов R8/R12 (R9/R13) влияет на общий коэффициент усиления усилителя без обратной связи, а отношение R12/R15 (R13/R16) определяет глубину ООС.
В итоге: Кu данного усилителя с ООС составляет 26дБ (20 раз по напряжению), а глубина ООС – около 28дБ.

И что мы получили в сухом остатке? – резонно поинтересуется в меру просвещённый читатель, подводя дебет-кредит и красноречиво всматриваясь в качественные характеристики, указанные на принципиальной схеме. – Схема-то простая, но результат Кг = 0,33% никуда не годится, ибо это дрянь, шлак и прочее говно.

Э, нет, торопиться не надо! Как говорил наш замечательный основатель и идеолог американской радиоэлектронной компании "Lamm Industries" Владимир Ламм: «Покажите мне график зависимости коэффициента искажений от частоты, и я скажу, как будет звучать ваш усилитель!».
А спектральный состав гармоник выходного сигнала выглядит следующим образом:



Рис.2 Спектральный состав гармоник выходного сигнала симметричного УМЗЧ

Вот оно счастье – звучание, полное ламповой теплоты и объёма, с доминирующей второй гармрникой и практически полным отсутствием паразитных ноток в лице нечётных гармоник.
На самом деле, уже чуть позже, прочитав статью автора нескольких радиоэлектронных изданий Скотта Франкланда, я нашёл объяснение подобной картинке. Вот что он писал в журнале Stereophile, 12/96: "Теоретически, подавление нечётных гармоник в двухтактной симметричной схеме возможно путём применения полностью идентичных элементов в верхнем и нижнем плечах".

И дальше: "При более тщательном подгоне половин выходного каскада, возможно снижение второй гармоники, но тогда 3-я гармоника, менее созвучная, станет доминировать. (В этом тоже состоит искусство настройки - Ред.). До тех пор, пока 3-я гармоника не подавлена полностью, есть смысл оставлять и 2-ю, так как она даёт положительный маскирующий эффект, тем самым "затеняя" продукты искажений более высокого порядка".
И это – истинная и сермяжная правда, которой я также нашёл подтверждение. Изменяя номинал резистора R12, при R12=5 Ом (R13=5.1 Ом) удалось добиться снижения общего коэффициента гармоник до уровня 0,12%, однако картинка спектрального состава гармоник выходного сигнала приобрела следующие очертания:



Рис.3 Спектральный состав гармоник УМЗЧ при небольшом отклонении от симметрии

А вот это – действительно, "дрянь, шлак и прочее говно". Поэтому, чтобы ненароком не вляпаться в это дело, следует тщательно отобрать и скрупулёзно проследить за тем, чтобы номиналы резисторов R12 и R13, а также R15 и R16 различались не более чем на доли %.

Настройка усилителя проста и сводится к установке тока покоя выходных транзисторов посредством многооборотного резистора R6. Перед первым подключением источника питания резистор следует установить в положение, соответствующее минимальному значению сопротивления.

Мощные выходные MOSFET транзисторы в совокупности с истоковыми резисторами относительно высокого номинала обеспечивают не только терпимость к кратковременному КЗ на выходе, но и довольно приличный уровень температурной стабильности УМЗЧ. Однако, если вы, по каким-то причинам, сочтёте её недостаточной, то для дополнительной температурной стабилизации следует стабилитрон D1 закрепить на радиаторе охлаждения выходных транзисторов. Причём только D1 и никакой больше, так как именно 1N4729A обладает отрицательным ТКЕ.